美科學家研製出新型人造突觸，能製造出更好的腦機介面
這20多年來，人工智慧可謂風生水起，吸足了世人的眼球。
1996年2月10日，IBM公司研發的電腦“深藍（Deep Blue）”戰勝了國際象棋冠軍加里·卡斯帕羅夫；在2016年3月進行的圍棋人機大戰中，穀歌公司的“阿爾法狗（AlphaGo）”人工智慧最終以4:1戰勝了韓國名將李世石九段，舉世矚目；今年年初，加拿大與捷克研究人員開發的撲克機器人DeepStack在一對一比賽和無限下注德州撲克比賽中又打敗了人類職業玩家，人工智慧步步緊逼，人類節節敗退。
人工智慧的勢頭如此兇猛，
對比這些數位，人造神經網路的重大缺陷也就顯而易見了：即便科學家們設計出了足夠聰明的機器，但由於它們的“胃口”太大，所以，很難“飛入尋常百姓家”，供人日常使用。
硬體結構是造成這種情況的“罪魁禍首”之一。在我們的電腦內，處理器和存儲單元各自為政，因此，無法高效地執行一些平行計算，
有鑑於此，來自斯坦福大學和桑迪亞國家實驗室的科學家組成的科研團隊決定另闢蹊徑，設計全新的類腦計算系統。
他們並非使用軟體來類比神經網路，而是製造出了一款能像人腦的突觸一樣工作的設備。在人腦內，神經元負責處理和存儲資訊，而突觸是神經元之間的連接。這套新設備也完全顛覆了計算硬體的傳統理念。
研究人員稱，他們研製出的這種人造突觸名為“電化學神經形態有機元件（ENODe）”，未來或能被用於製造能以最低能耗執行類腦計算的晶片。
而且，這種新設備由柔韌且能與大腦相容的有機材料製成，有助於科學家們在未來研製出更好的腦-機介面，為充滿“半機械人（cyborg）”的世界鋪平道路。今年2月份，“鋼鐵俠”伊隆·馬斯克就表示，隨著機器人及人工智慧系統使社會越來越自動化，人類未來得前景之一將是和機器“融為一體”，
研究作者、斯坦福大學的材料工程師Alberto Salleo說：“這是一種全新的設備體系，因為此前沒有人展示過此類架構。而且，在在很多關鍵的測量實驗中，它的表現遠超此前的無機設備。”
生物突觸
從本質上來說，大腦的計算結構與傳統電腦大相徑庭。傳統電腦中的處理單元和存儲單元各自為政，但大腦內，處理和存儲功能都由突觸來執行。這種安排更好：它省下了資料從處理器到存儲模組來回奔波所需要的能量。
神經系統由大量的神經元構成。這些神經元之間在結構上並沒有原生質相連，僅互相接觸，其接觸的部位稱為突觸。突觸看起來有點像蓄電池組的電池，由兩個膜以及兩膜間的窄縫-突觸間隙組成。隨著大腦不斷地學習，電流沿著一個神經元的分支流淌，到達一個突觸。在此處，電流與所有來自其他神經元分支的脈衝混合在一起，並組合成一個信號。
當電流足夠強，它會觸發神經元釋放出化學物質-所謂的神經遞質（neurotransmitter），這些神經遞質朝著臨近神經元的突觸漂移，導致神經元點火。
關鍵之處在於：每次，當這一切發生時，突觸的狀態都會改變一點，因此，它隨後啟動下一個神經元所需要的能量會多一點或少一點。實際上，神經科學家們相信，不同的導電狀態是突觸存儲資訊的關鍵。
人造突觸
新設備ENODe從人腦的天然設計中“偷學”了很多。
與生物突觸類似，ENODe也由兩個薄膜以及薄膜間的縫隙組成。薄膜由柔性有機材料製成；而縫隙包含有一個電解液，質子能通過其間。整個設備被一個主開關控制：當開關打開時，設備處於“唯讀”模式；當開光關閉時，設備處於“可寫”模式並開始存儲資訊。
為了填入資料，研究人員用一個小電壓來控制頂層的薄膜，使薄膜釋放出一個電子。為了讓帶負電的電子變得電中性，薄膜隨後會從位於底層的鄰居薄膜那兒“偷走”一個氫離子。這個氧化還原反應改變了設備的氧化程度，因此，改變了其導電性。
而且，就像生物突觸一樣，最初的電脈衝越強或持續時間越長，來回穿梭的氫離子越多，相當於導電性更強。而且，這種設備可以升級，升級模式呈線性，這一點令人感覺很好：經過訓練，研究人員預測設備到達某種特定狀態需要多少電壓的準確程度高達99%以上。
該研究團隊總共對500種不同的導電狀態進行了程式設計，每種導電狀態都可供計算使用-只有兩種狀態（0和1）的普通電腦與之相比，可謂小巫見大巫，而且，每種狀態都能完美地支援基於神經元的計算模型-比如人造神經網路。
主開關設計也説明解決了一個難纏的問題，這個問題可謂前數代類腦晶片揮之不去的噩夢：電壓-時間困境，通俗來說就是，狀態之間低能耗切換與某種狀態長時間穩定之間，正如魚和熊掌，不可兼得。
麻塞諸塞大學的Joshua Yang和Qiangfei Xia雖然並沒有直接參與此項研究，但在為這一研究撰寫評論時，他們解釋道，這是因為，如果在狀態切換的過程中，離子只需要一點電壓就能移動（低能耗），那麼，在切換之後，它們也能輕易地四處遊蕩，這意味著晶片能快速改變。
但現在，新設備ENODe用“唯讀”模式規避了這一問題。在這裡，主開關打開，切斷任何流向該設備的外部電流並阻止層內的質子發生變化。
而且，該研究團隊還讓維持設備狀態的機制與管理開關的機制脫鉤，因此，僅用約0.5毫伏的開關電壓就可以讓設備到達相鄰狀態，所需能量僅為頂級電腦讓資料從處理器移到存儲單元所需能量的十分之一。
一旦鎖定某一狀態，該設備可以維持25個小時，波動僅為0.04%，這一“引人注目的特徵”讓ENODe的可靠性遠超同類技術。
研究人員Alec Talin博士解釋稱：“就像一塊電池，一旦你為它充好電，它就會保持在充電狀態，不需要額外的能量輸入。”
然而，儘管ENODe的能量需求遠低於目前的設備，但仍為單個突觸所需能量的數千倍。因此，該研究團隊正致力於讓這些設備小型化，如此一來或可將其能耗減少為原來的數百萬分之一，遠低於一個生物突觸所消耗的能量。
神經形態電路
為了證明ENODes能真正模擬生物突觸，該研究團隊使用可生物相容的塑膠製造出了設備，並讓其經歷一系列測試。
首先，他們將ENODe整合進一個電子電路中，並證明其能學會一個書本上的實驗：巴甫洛夫條件反射實驗。在這個實驗中，反復暴露後，一個刺激會慢慢同另一個刺激相關聯。
接下來，該研究團隊運行了一個三層的人造神經網路，並訓練它指出手寫的數位-這是科學家們湧來測試人造神經網路的基準實驗。
最後作者報告稱，基於ENODe的神經網路的精確度介於93%到97%之間，其表現遠超以前的類腦晶片。
除了計算能力高超，這款ENODe設備也尤其適合用作大腦內的突觸。這一設備由有機材料（儘管沒有出現在大腦組織中）組成、具有生物相容性，可以重複用作讓細胞生長的支架。此外，這一材料的柔韌性也很強，可以彎曲成各種形狀來貼合不規則的表面，研究人員也能將多個ENODe擠壓在一個小小的空間內。
Yang 和 Xie也表示，這一設備本身擁有500種電導狀態，“可與類比世界無縫對接，不需要進行傳統耗時耗能的類比到數位的轉換。”
Talin則表示說：“由此帶來了一種可能性：活著的生物細胞可通過人造突觸與能進行計算的電路相連。我們認為，這對未來製造出更好的腦機介面意義重大。”
這種安排更好：它省下了資料從處理器到存儲模組來回奔波所需要的能量。神經系統由大量的神經元構成。這些神經元之間在結構上並沒有原生質相連，僅互相接觸，其接觸的部位稱為突觸。突觸看起來有點像蓄電池組的電池，由兩個膜以及兩膜間的窄縫-突觸間隙組成。隨著大腦不斷地學習，電流沿著一個神經元的分支流淌，到達一個突觸。在此處，電流與所有來自其他神經元分支的脈衝混合在一起，並組合成一個信號。
當電流足夠強，它會觸發神經元釋放出化學物質-所謂的神經遞質（neurotransmitter），這些神經遞質朝著臨近神經元的突觸漂移，導致神經元點火。
關鍵之處在於：每次，當這一切發生時，突觸的狀態都會改變一點，因此，它隨後啟動下一個神經元所需要的能量會多一點或少一點。實際上，神經科學家們相信，不同的導電狀態是突觸存儲資訊的關鍵。
人造突觸
新設備ENODe從人腦的天然設計中“偷學”了很多。
與生物突觸類似，ENODe也由兩個薄膜以及薄膜間的縫隙組成。薄膜由柔性有機材料製成；而縫隙包含有一個電解液，質子能通過其間。整個設備被一個主開關控制：當開關打開時，設備處於“唯讀”模式；當開光關閉時，設備處於“可寫”模式並開始存儲資訊。
為了填入資料，研究人員用一個小電壓來控制頂層的薄膜，使薄膜釋放出一個電子。為了讓帶負電的電子變得電中性，薄膜隨後會從位於底層的鄰居薄膜那兒“偷走”一個氫離子。這個氧化還原反應改變了設備的氧化程度，因此，改變了其導電性。
而且，就像生物突觸一樣，最初的電脈衝越強或持續時間越長，來回穿梭的氫離子越多，相當於導電性更強。而且，這種設備可以升級，升級模式呈線性，這一點令人感覺很好：經過訓練，研究人員預測設備到達某種特定狀態需要多少電壓的準確程度高達99%以上。
該研究團隊總共對500種不同的導電狀態進行了程式設計，每種導電狀態都可供計算使用-只有兩種狀態（0和1）的普通電腦與之相比，可謂小巫見大巫，而且，每種狀態都能完美地支援基於神經元的計算模型-比如人造神經網路。
主開關設計也説明解決了一個難纏的問題，這個問題可謂前數代類腦晶片揮之不去的噩夢：電壓-時間困境，通俗來說就是，狀態之間低能耗切換與某種狀態長時間穩定之間，正如魚和熊掌，不可兼得。
麻塞諸塞大學的Joshua Yang和Qiangfei Xia雖然並沒有直接參與此項研究，但在為這一研究撰寫評論時，他們解釋道，這是因為，如果在狀態切換的過程中，離子只需要一點電壓就能移動（低能耗），那麼，在切換之後，它們也能輕易地四處遊蕩，這意味著晶片能快速改變。
但現在，新設備ENODe用“唯讀”模式規避了這一問題。在這裡，主開關打開，切斷任何流向該設備的外部電流並阻止層內的質子發生變化。
而且，該研究團隊還讓維持設備狀態的機制與管理開關的機制脫鉤，因此，僅用約0.5毫伏的開關電壓就可以讓設備到達相鄰狀態，所需能量僅為頂級電腦讓資料從處理器移到存儲單元所需能量的十分之一。
一旦鎖定某一狀態，該設備可以維持25個小時，波動僅為0.04%，這一“引人注目的特徵”讓ENODe的可靠性遠超同類技術。
研究人員Alec Talin博士解釋稱：“就像一塊電池，一旦你為它充好電，它就會保持在充電狀態，不需要額外的能量輸入。”
然而，儘管ENODe的能量需求遠低於目前的設備，但仍為單個突觸所需能量的數千倍。因此，該研究團隊正致力於讓這些設備小型化，如此一來或可將其能耗減少為原來的數百萬分之一，遠低於一個生物突觸所消耗的能量。
神經形態電路
為了證明ENODes能真正模擬生物突觸，該研究團隊使用可生物相容的塑膠製造出了設備，並讓其經歷一系列測試。
首先，他們將ENODe整合進一個電子電路中，並證明其能學會一個書本上的實驗：巴甫洛夫條件反射實驗。在這個實驗中，反復暴露後，一個刺激會慢慢同另一個刺激相關聯。
接下來，該研究團隊運行了一個三層的人造神經網路，並訓練它指出手寫的數位-這是科學家們湧來測試人造神經網路的基準實驗。
最後作者報告稱，基於ENODe的神經網路的精確度介於93%到97%之間，其表現遠超以前的類腦晶片。
除了計算能力高超，這款ENODe設備也尤其適合用作大腦內的突觸。這一設備由有機材料（儘管沒有出現在大腦組織中）組成、具有生物相容性，可以重複用作讓細胞生長的支架。此外，這一材料的柔韌性也很強，可以彎曲成各種形狀來貼合不規則的表面，研究人員也能將多個ENODe擠壓在一個小小的空間內。
Yang 和 Xie也表示，這一設備本身擁有500種電導狀態，“可與類比世界無縫對接，不需要進行傳統耗時耗能的類比到數位的轉換。”
Talin則表示說：“由此帶來了一種可能性：活著的生物細胞可通過人造突觸與能進行計算的電路相連。我們認為，這對未來製造出更好的腦機介面意義重大。”